3. GÁZLÉZEREK Lézeranyag: kis nyomású (0,1 - 760 Torr) gáz, vagy gázelegy Lézerátmenet: elektronszintek között (UV és látható lézerek) rezgési szintek között (infravörös lézerek) forgási szintek között (távoli infravörös lézerek) Pumpálás: elektromos energiával, gázkisülést létrehozva (optikai pumpálásnak nincs értelme, mert a gázok abszorpciós vonalai keskenyek) Méret: sokkal nagyobbak a szilárdtestlézereknél, mivel kisebb a lézeraktív anyag koncentrációja. Például: He-Ne lézer ~ 1021 molekula/m3 Nd-YAG lézer ~ 1025 - 10 26 Nd-ion/m3

Hélium-neon lézer Lézeranyag: ~10:1 arányú He/Ne elegy, össznyomás ~1 torr A lézerátmenet a Ne atomoktól származik, a He segédanyag

A Ne elektronkonfigurációi és állapotai A Ne a 10. elem Alapállapotú konfiguráció: 1s22s22p6 Gerjesztett konfigurációk: 1s22s22p53s1 1s22s22p54s1 1s22s22p55s1 1s22s22p53p1 1s22s22p54p1 4-4 állapot 10-10 állapot

A hélium és a neon energiaszintdiagramja

A HeNe lézer tulajdonságai: kis teljesítmény (az utolsó dezaktíválódási lépés a cső falához történő ütközéssel játszódhat le, keskeny cső) kis spektrális sávszélesség (~ 2 pm) kiváló ”sugárminőség” könnyű, hordozható Alkalmazások: távolságmérés, holográfia

Nitrogénlézer Lézeranyag: ~0,2 bar nyomású N2 gáz 3 szintes lézer! A N2 alapállapota szingulett (S=0) A gázkisülésben ütközéssel sokféle gerjesztett elektronállapot jöhet létre: - szingulett (S=0) gerjesztett és - triplett (S=1) gerjesztett állapotú molekulák keletkeznek. A lézerátmenet a N2 két triplett állapota között történik.

A molekulapályák betöltése az N2,alapállapotában (X) és két triplett gerjesztett állapotában (B,C)

Az N2 molekula lézerátmenete

A nitrogénlézer felépítése

A nitrogénlézer tulajdonságai Impulzuslézer (a lézerátmenet alsó szintje lassan ürül ki), imp. hossz 1-40 ns, a nyomással csökken ultraibolya! Olcsó Alkalmazások: festéklézerek pumpálása MALDI

Excimerlézerek Excimer = excited dimer Olyan dimer, amely gerjesztett elektronállapotban stabil, de alapállapotban nem. Pl. Xe2 molekula Exciplex = excited complex Olyan komplex, amely gerjesztett állapotban stabil, de alapállapotban nem. Nemesgázok halogénekkel képeznek ilyen komplexet. Az excimerek és exciplexek stabilitásának oka: a gerjesztett állapot részlegesen ionos jellegű, a halogénatom részben átvesz egy elektront a nemesgáztól.

Excimermolekula energiaszint-diagramja

Excimerlézerek hullámhossza Xe2 ? XeF 157 nm ArF 193 nm KrF 248 nm KrCl 222 nm XeCl 308 nm XeBr 282 nm

Technikai szempontok A gázelegyet a fluor korróziós hatását kibíró csőbe kell tölteni: fémcső perfluorozott műanyag bevonattal Felületek megmunkálása: a hullámhossz csökkenésével javul az optikai felbontás, ebből a szempontból XeF lézer a legjobb, ezt követi az ArF, majd KrF. Az elérhető működési frekvencia és az impulzusonkénti energia sorrendje fordított.

Az excimerlézerek tulajdonságai - Az UV-tartományban működnek - Viszonylag széles tartományban hangolhatók - Impulzusüzeműek - Energiájuk nagyobb a N2-lézernél Alkalmazások: rétegek megmunkálása UV-fénnyel fotokémiai kísérletek

Argonlézer A lézersugárzás az Ar+ ionoktól származik! („Argonion”lézer) Lézer közeg: ~0,5 torr nyomású Ar-gáz, kisülési csőbe töltve Kisülésben - gerjesztett molekulák - alapállapotú ionok jönnek létre (plazma) - különböző gerj. áll. ionok A kisülési cső működési jellemzői: áramerősség, feszültség, nyomás, hőmérséklet - ezektől függ az Ar+ ionok populációja különböző energiaszinteken. Inverz populáció érhető el az Ar+ ion egyes gerjesztett állapotaiban, náluk kisebb energiájú gerjesztett állapotokhoz képest. }

Az Ar a 18. elem. Ar-atom konfigurációja: 1s22s22p63s23p6 Ar+-ion legkisebb energiájú konfigurációja: 1s22s22p63s23p5

energiaszint-diagramja Argonlézer energiaszint-diagramja

Argon-lézer felépítése

Az argonlézer tulajdonságai Nagy teljesítményfelvétel Rossz hatásfok (ionizáció!) - Kis spektrális sávszélesség - folytonos üzemmód (impulzus üzemmód móduscsatolással) Alkalmazások: spektroszkópia (pl. Raman-készülék fényforrása) szemsebészet

CO2-lézer Lézer közeg: ~ 1:1 arányú CO2-N2 elegy zárt változat: - ~10 torr nyomású gáz zárt kisülési csőben nyitott változat - ~ atmoszférikus nyomású gáz nyílt kisülési csőben A lézer átmenet a CO2-molekula gerjesztett rezgési állapotai között történik, ezért infravörös fényt ad. A N2 segédanyag.

A CO2-molekula normál rezgései szimmetrikus nyújtás deformáció aszimmetrikus nyújtás v1 v2 v3 A három normálrezgés gerjesztettségét jellemző kvantumszámok.

A CO2 és a N2 rezgési-forgási szintjei

Előny: Az elektromos energiát nagy hatásfokkal (10-20 %) infravörös fénnyé alakítja. - folytonos és impulzus üzemmódú lézer is készíthető - a folytonos üzemmódú ~100 kW energiájú fényt is adhat Felhasználás: fémmegmunkálás sebészet spektroszkópiában plazmák előállítása

Lézerplazma távolról

Lézerplazma közelről

Plazmaspektrum 1.

Plazmaspektrum 2.